高特征参数下绝缘圆管内液态金属MHD效应研究

液态金属磁流体动力学(MHD)效应是聚变堆液态包层需要解决的关键问题之一。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了高特征参数下绝缘圆管内液态金属MHD效应,获得了强磁场下绝缘圆管内压降变化和流速分布的规律。研究结果表明,绝缘圆管内液态金属MHD压降随外加磁场强度的增加而线性增大,随管道内平均流速的增加也呈线性增长的关系,且压降实验结果与数值模拟及理论结果吻合较好;流速分布的特点为哈特曼层内流速变化剧烈,速度梯度大。基于压降的实验数据分析可得,强磁场环境下绝缘圆管中层流湍流的转换分界点约为Re/Ha=45。

通道插件管道MHD效应初步实验结果

给出了通道插件管道MHD效应的初步实验结果,结果表明:中心区流速分布与数值预测的差别较大,且不同位置的管道截面流速分布不同,在压力平衡孔之间呈周期性变化;宏观的中心区与边缘区流量分配、MHD压降与简化理论预测结果相接近。这些数据将给FCI管道数值分析模型的完善和液态包层设计提供参考。

涂层裂纹引起的MHD效应不稳定性实验模拟

介绍了用铜电极和铜导线模拟管道内电绝缘涂层裂纹 ,引起磁流体动力学 (MHD)效应的最新实验结果。结果表明 :绝缘涂层的裂纹不仅使MHD压降大大提高 ,而且产生MHD效应的不稳定性。边界电位差U和MHD压降ΔP产生跃变 ,偏离了经典规律 ,跃变的幅度达 10 0 % ;且在实验参数不变的情况下 ,边界电位差U和MHD压降ΔP随时间在振荡。

简化理论研究液态包层通道插件流体MHD效应

基于先前的普通管道中的MHD效应的实验结果和质量守恒定律(或液态流体不可压缩原理)、洛仑磁力定律和电荷守恒定律,再利用有源网络等效方法,发展出一种简化而有效的分析带通道插件(FCI)管道的磁流体动力学(MHD)效应的方法。简化理论预测结果表明:采用FCI可有效地降低MHD压降;FCI的电导率存在一个临界值时,当大于这个值时,中心区流速将小于边界区流速;管道结构、FCI电导率、液态金属种类等存在着一个最佳组合参数,能最有效地减少MHD压降。

非理想MHD效应与m=1内扭曲模本征方程

对非俘获粒子与俘获粒子分别采用流体和单粒子模型，推导了同时包含各种非理想ＭＨＤ效应的ｍ＝１内扭曲模本征方程。这些效应包括有限电阻、反磁漂移、俘获离子引起的增大的极化漂移与横向粘滞、沿力线电子热导、反常电子横向粘滞、俘获离子香蕉轨道宽度及自举电流等效应。所得到的ｍ＝１内扭曲模本征方程，为研究不同情况下各种非理想ＭＨＤ效应的相对重要性及可能对ｍ＝１内扭曲稳定性的影响，提供了一可靠的基础。

垂直上升通道内气泡–液态金属MHD流动与传热的数值研究

在聚变堆的冷却系统中,由于强磁场的影响,液态金属流动受到抑制,通过掺入气泡到液态金属中可减小磁流体力学(Magnetohydrodynamic,MHD)效应,提升传热速率。该文基于VOF多相流模型,在不同的磁场强度(0~1.3 T)和不同的气泡雷诺数(1.3×10^(4)~6.76×10^(4))范围内,对横向磁场作用下垂直上升通道中气泡-液态金属两相流动传热特性进行数值研究。结果表明,无磁场时气体呈柱状流,而在磁场作用下,由于MHD箍缩效应的影响,气柱破裂、分离,形成了气泡流;随着磁场增大,其分离点由入口逐渐向上移动,且气泡运动速度随之增加。与液态金属单相流相比,气泡-液态金属两相流动的平均换热系数随磁场强度和气泡雷诺数增加均呈下降趋势,但因两相流动显著减小由MHD效应引起的压降,从而提升通道内综合换热因子,且在磁场较小时,提升效果更好。

带FCI液态包层的MHD效应及热变形模拟

本文结合CFD与FEM方法,对国际热核聚变实验堆(ITER)的双冷锂铅(DCLL)包层进行了"磁-热-流-固"多物理耦合场的三维数值模拟.基于电势方法,采用PISO算法和相容守恒格式求解了包含Lorentz力的不可压Navier-Stokes方程。应用有限元方法分析了DCLL包层关键部件流道插件(FCI)在热场和磁场耦合作用下的热应力.利用多物理场的顺序耦合算法获得了在强磁场作用下,包层内金属流体的压力、速度和温度分布,研究了各种厚度和导电率的FCI对于包层内MHD效应和传热性能的影响。

几种液体金属自由表面的MHD不稳定性实验研究

介绍了在核工业西南物理研究院的液态金属实验回路(LMEL)上获得的几种可供液态偏滤器-限制器系统选用的液体自由表面的磁流体动力学(MHD)效应不稳定性的实验结果。实验发现:自由表面射流在穿越梯度横磁场时射程变短、截面变扁平,但MHD效应稳定,调节射流与磁场的夹角可以控制射流的流动特性;自由表面膜流MHD效应存在三种现象,即层流、溪状流和湍流。层流是由多束射流打到固体表面产生的(简称"射-膜流"),从MHD效应角度考虑,"射-膜流"将是四种可选液态偏滤器-限制器系统的液体自由表面形式中最佳的选择。同时,探讨了从物理的角度来理解四种自由表面形式的MHD效应的现象。

中国液态金属锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ MHD实验段设计与分析

锂铅实验回路是研究液态金属锂铅包层关键技术问题的必备装置,MHD(Magneto Hydro Dynam-ic)实验是探究液态金属在聚变强磁场环境下流动特性的重要环节。本文结合聚变堆锂铅包层设计特点和实际的工程可行性,设计了中国高温多功能液态金属锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ中的MHD实验段。初步结果表明MHD实验段设计方案的合理性,能够满足回路的设计原则和要求。

磁流体动力学效应在当代科技中的应用与发展

磁流体动力学的相关研究是当代迅速发展起来的一项新技术,它在外界磁场下表现出来的独特性能和优点,引起人们的极大兴趣和广泛的关注。目前,我国和世界上许多国家都在积极地开展这项研究。本文首先介绍了磁流体的相关概念、原理、基本特性及常用的制备方法;分析了该研究领域典型的研究方向和工作机理,并且详细描述了它们的结构特点以及优缺点;最后,简单展望了磁流体的发展趋势和应用前景,指出磁流体发展中存在的问题,并针对这些问题提出了有效的解决方案和意义。

涂层裂纹的MHD压降研究

目前的研究已表明，自冷包层中的MHD压降问题可以在与液态金属流体接触的通道壁上涂电绝缘陶瓷涂层或自修复涂层而得到很好的解决。但因热应力等因素引起陶瓷出现裂纹或剥落，在陶瓷涂层出现裂纹或剥落后的MHD压降需要开展相应的实验工作。考虑到低成本和方便的涂层工艺，本研究中的绝缘涂层使用了在回路的运行温度下与流体介质相容的聚氨基甲酸脂，用旋转加热法在外径为64mm、内径为57mm的导电实验段的内壁均匀地涂上2.65mm厚的聚氨基甲酯酯电绝缘涂层，涂后的流道内径为51．7mm，如图1所示，D1－D5为设置的模拟涂层裂纹的铜电极，电要直径为10mm，长为100mm。P1和P2为差压传感器接口，间距为500mm。LEVI探针可测量该方向上的MHD流速分布。P1和P2，电极D1－D5以及LEVI接口均位于电磁铁提供的均匀磁场区域，其方向与液态金属流速和外加磁场垂直。采用特殊的涂层工艺，使每个接口连接处的液态金属不会通过这些电极、差压接口以及LEVI接口与导电的实验段外壁短路，确保全绝缘和各种模拟裂纹的MHD压降实验的可靠性和准确性。

磁场方向对脉冲电沉积制备Ni-ZrO2纳米复合镀层性能的影响

目的研究有无磁场条件和垂直、平行两种磁场方向对脉冲电沉积制备Ni-ZrO2纳米复合镀层性能的影响。方法以45#钢作为基体,采用脉冲电沉积和磁场-脉冲电沉积法成功制备Ni-ZrO2纳米复合镀层。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)观察纳米复合镀层的表面形貌、微观结构和表面粗糙度,利用显微硬度计、划痕仪、摩擦磨损试验机对纳米复合镀层进行显微硬度、结合力和摩擦磨损性能等力学性能研究。结果相同工艺条件下,垂直磁场-脉冲电沉积条件制备的Ni-ZrO2纳米复合镀层的晶粒形状为金子塔状,镀层表面粗糙度有所改善,复合镀层显微硬度值最高,为370HV。平行磁场-脉冲电沉积条件下制备的Ni-ZrO2纳米复合镀层表面平整,均匀致密,复合镀层中Zr的质量分数为8.27%,表面粗糙度Ra和Rq值分别为82nm和105nm,镀层结合力为337N,磨损量低于其他两种镀层的磨损量。结论施加磁场后,在磁场MHD效应作用下,纳米复合镀层表面形貌平整,均匀致密,显微硬度提高,并且与基体结合性能和耐磨性都优于无磁场条件下制备的纳米复合镀层。平行方向磁场对Ni-ZrO2纳米复合镀层的力学性能有更明显的促进作用。

磁场作用下的电沉积技术研究现状

介绍了均匀/非均匀磁场下电沉积技术研究现状,综述了磁场辅助电沉积技术作用机制,包括传质过程、结构修饰、电化学反应及晶粒取向等,以及磁场与电流的交互作用诱导的流体流动学效应(MHD效应),并模拟了微观MHD效应形成过程,阐述了外加磁场在电沉积领域应用中存在的问题及发展前景。

稳恒磁场对循环电镀液Fe-Si复合电沉积行为的影响

研究了以Fe-50%Si合金颗粒及纯Si颗粒为原料,在稳恒磁场中用循环镀液复合电沉积制备Fe-Si复合镀层,考察了磁场方向、磁感应强度对Fe-Si复合镀层形貌及硅质量分数的影响。结果表明:施加磁场后,随磁感应强度增大,采用Fe-50%Si颗粒和纯Si颗粒获得的镀层硅质量分数显著增加;同时,在梯度磁场力和磁流体力学效应(MHD效应)协同作用下,镀层硅质量分数从边沿至中心呈"平底锅"状分布;电流密度为2A/dm^2、磁感应强度为0.5T时,用Fe-50%Si颗粒电镀获得的镀层硅质量分数达20%。

稳恒平行磁场对循环电镀液Fe-Si复合电沉积的影响

以不同硅含量的Fe-Si合金颗粒及纯Si颗粒为原料,在稳恒平行磁场下采用循环镀液复合电沉积法制备Fe-Si复合镀层,考察了磁场强度、颗粒硅含量、电流密度对Fe-Si复合镀层形貌及镀层中硅含量的影响。结果表明,在无磁场情况下,随着颗粒硅含量的增加,镀层中硅含量显著下降;施加平行磁场后,随着磁场强度的增加,Fe-50%Si(质量分数,下同)、Fe-70%Si和纯Si颗粒获得的镀层硅含量显著增加,而采用Fe-30%Si颗粒在磁场强度高于0.3 T后获得的镀层硅含量呈下降趋势。同时,在梯度磁场力和磁流体力学效应(MHD效应)协同作用下,Fe-Si颗粒在镀层表面呈圆丘状分布。当电流密度为2 A/dm^2、磁场强度为0.5 T时,采用Fe-50%Si颗粒电镀获得的镀层硅质量分数可达21.23%。

磁场位向对Fe-Si复合电沉积镀层硅含量及形貌的影响

利用Fe-30wt%Si和Fe-70wt%Si合金颗粒在稳恒磁场下采用复合电沉积法在低硅硅钢薄带上制备Fe-Si复合镀层。考察了搅拌强度、磁场强度以及磁场位向对Fe-Si复合镀层形貌及硅含量的影响规律。结果表明,施加磁场后获得的镀层硅含量显着增高,采用Fe-30wt%Si颗粒获得的镀层在不同位向0.1T磁场时均达到最大值,而采用Fe-70wt%Si颗粒在0~1T磁场强度下获得的镀层硅含量随着磁场强度的升高而升高。同时,采用Fe-30wt%Si颗粒获得的镀层表面在电流与磁场方向呈0~60°位向角、0.3T磁场下出现宏观针状突出物;采用Fe-70wt%Si颗粒在较大位向角磁场下获得的镀层表面形貌比较平整,而且颗粒分布比较均匀。这主要是由于磁性颗粒受到MHD效应与磁场力协同作用引起的。

磁场作用下液态包层中的流动传热和插件安全分析

国际热核聚变实验堆(ITER)的双冷锂铅(DCLL)包层涉及"磁-热-流-固"多物理耦合场问题。流道插件(FCI)作为DCLL包层的关键部件,具有隔绝热量传递和降低磁流体压降的作用。本文基于电势方法,采用PISO算法和相容守恒格式求解了包含Lorentz力的不可压Navier-Stokes方程;应用有限元方法计算了FCI在流场、热场和磁场耦合作用下的热应力和变形。采用顺序耦合法,分析了磁-热-流固耦合场中速度、温度、压力的分布形式,研究了流道插件结构内的热应力和热变形,通过MHD压降系数和热效率系数揭示了FCI结构对于包层内MHD效应和传热性能的影响规律。

EAST液态锂限制器分配盒参数对锂流动性影响

为考察溢流孔结构几何参数及壁面电导率对液态锂流动的影响,通过数值模拟方法对不同尺寸、形状及壁面电导率的溢流孔中液态锂的流动进行了数值模拟。结果表明:溢流孔的截面宽度越小,其出口的速度分布越均匀,速度峰值也越小,但溢流孔进出口之间的压力降会显著增加;且随着壁面电导率增大,MHD压降也随之增大。对于圆形及椭圆形截面的溢流孔,其出口的速度分布远比矩形溢流孔均匀。另外,关于限制器热平衡的计算有助于保证限制器的安全稳定运行。结果对分配盒几何参数的设计、电磁泵及冷却系统的设计具有重要的指导意义。